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γ-TiAl无铬化学处理及其高温氧化行为

作　者: 孙科文
导　师: 马欣新
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料科学
关键词: γ-TiAl合金化学处理化学转化膜高温氧化
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

γ-Ti(46-48)Al作为性能优越的高温结构材料广泛应用于航天航空领域的发动机制造上。但850℃以上抗高温氧化能力不足,严重制约钛铝合金的应用,是一个亟需解决的问题。目前,国内外对于金属间化合物的化学转化膜技术的研究在表面处理领域是一片空白。本文针对上述两种问题提出应用化学抛光技术在钛铝合金表面生成化学转化膜用以提高合金的抗高温氧化性的方法。采用三酸系无铬化学抛光液,利用正交设计及单因素筛选法,研究了抛光液中各组分及工艺参数对钛铝合金在生成化学转化膜过程中对表面光泽度,试样失重率的影响。探讨了三酸对氧化速率的影响作用,缓蚀剂及光亮剂的选用及配比,并优化了制备含F/P化学转化膜的最佳工艺。利用SEM及EDS等分析测试方法,研究了不同工艺条件下钛铝合金试样表面想成化学转化膜的形貌及成分。在优化配方下制备的化学转化膜,表面形貌为干涸河床状,在晶界处有均匀腐蚀微裂纹。成分主要为Ti、Al及O,并且Al在合金表面富集。分别研究了原始试样及表面生成化学转化膜的合金试样在850℃热震实验、850℃恒温氧化实验、900℃循环氧化实验中的氧化动力学行为。经过化学处理的合金生成的氧化层在热震实验中表现出良好的抗剥落能力,而原始试样的氧化速率上升很快,氧化层在氧化过程中剥落较为明显。900℃循环氧化实验中,形成化学转化膜的合金试样表现出非常优异的抗氧化性,氧化层生长速度慢,表面均匀,氧化物晶粒较小,不易剥落,通过SEM及EDS对氧化层截面进行观察发现,氧化层致密连续,分层现象明显。在850℃循环氧化实验中发现,经过化学处理的合金试样在氧化过程中质量增重大于原始试样,氧化初期的氧化速率高于原始试样,在扫描显微镜下发现原始试样在850℃氧化20h生成的为排列整齐致密的金红石枝状晶。实验结果说明化学处理对于提高钛铝合金的性能更适宜应用于特殊的环境及温度。研究了具有不同表面粗糙度的合金试样在不同的化学处理液中形成的化学转化膜的性质及性能。表面粗糙度不同制备的化学转化膜形貌相似,成分差别较大,较为理想的化学转化膜为致密的干涸河床状形貌,表面Al含量富集,这样的结构从实验中发现更易形成完整的性能优越的氧化膜。表面粗糙度越小,获得理想化学转化膜的时间越短,在氧化反应中保护效果越好。分别从化学抛光,化学转化膜形成原理,及钛铝合金高温氧化机理等角度分析了化学转化膜对于改善钛铝合金高温抗氧化性的机理。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 课题来源  11-13
  1.2 钛铝合金抗氧化性研究现状  13-16
    1.2.1 钛铝合金涂层方法的发展  13-14
    1.2.2 表面合金化处理  14-16
    1.2.3 卤化处理与钛铝合金的抗高温氧化性  16
  1.3 化学抛光技术研究现状  16-22
    1.3.1 化学抛光技术发展史  17-18
    1.3.2 化学抛光技术作用原理  18-20
    1.3.3 化学转化膜的制备及防护性能  20-22
  1.4 钛铝合金抛光处理现状  22-25
    1.4.1 钛合金的化学抛光研究  22-23
    1.4.2 铝合金的化学抛光研究  23-25
  1.5 研究目的  25
  1.6 研究内容  25-27
第2章材料及试验方法  27-36
  2.1 试样制备  27-28
    2.1.1 化学抛光试样制备  27-28
    2.1.2 高温氧化实验试样制备  28
  2.2 实验设备  28-29
    2.2.1 化学抛光实验设备  28
    2.2.2 高温氧化实验  28-29
  2.3 主要试剂  29
  2.4 实验评价指标  29-30
  2.5 实验方法  30-34
    2.5.1 化学抛光实验  30
    2.5.2 正交设计确定最佳试验配方方案  30-32
    2.5.3 正交设计确定最佳试验参数  32-33
    2.5.4 确定化学抛光试样预处理的表面粗糙度极限  33
    2.5.5 钛铝合金试样化学抛光机理研究  33-34
    2.5.6 高温氧化实验  34
  2.6 分析测试方法  34-36
    2.6.1 X射线衍射分析  34-35
    2.6.2 X射线光电子能谱分析  35
    2.6.3 SEM/EDS分析  35-36
第3章 γ-TiAl合金F/P化学转化膜制备工艺及表征  36-51
  3.1 化学液各组分浓度对化学转化膜成膜影响  36-41
    3.1.1 HF:HNO B_3最佳配比的筛选  36-37
    3.1.2 缓蚀剂的单因素筛选试验  37-38
    3.1.3 硝酸浓度对化学转化膜成膜的影响  38-39
    3.1.4 磷酸浓度对化学转化膜成膜的影响  39-41
    3.1.5 三酸配比正交设计实验  41
  3.2 工艺参数对化学转化膜成膜的影响  41-44
    3.2.1 温度对化学处理后合金表面失重率及光泽度的影响  42
    3.2.2 pH化学处理后合金表面失重率及光泽度的影响  42-43
    3.2.3 工艺参数正交设计实验  43-44
    3.2.4 配方优化  44
  3.3 表面粗糙度对钛铝合金化学转化膜形成的影响  44-50
    3.3.1 表面粗糙度对合金试样化学处理后失重率的影响  44-46
    3.3.2 表面粗糙度对合金试样化学处理后表面形貌的影响  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章 γ-TiAl合金化学转化膜形成研究  51-61
  4.1 化学处理前后化学成分分析  51-57
  4.2 化学转化膜形成前后表面形貌及能谱分析  57-59
  4.3 化学转化膜形成的化学过程  59-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章化学处理对γ-TiAl 合金高温氧化动力学影响  61-85
  5.1 不同含氟量化学转化膜850 ℃下热震氧化动力学曲线  61-69
  5.2 化学转化膜对钛铝合金高温氧化性能的影响  69-78
    5.2.1 不同表面粗糙度900℃循环氧化动力学曲线  69-72
    5.2.2 不同表面粗糙度900℃循环氧化实验氧化层SEM／EDS分析  72-77
    5.2.3 不同表面粗糙度900℃循环氧化实验氧化层XRD分析  77-78
  5.3 化学转化膜对850℃高温氧化性能的影响  78-83
    5.3.1 不同表面粗糙度下850℃循环氧化动力学曲线  78-79
    5.3.2 不同表面粗糙度下合金850℃循环氧化实验氧化层分析  79-82
    5.3.3 不同表面粗糙度下850℃循环氧化实验氧化层XRD分析  82-83
  5.4 本章小结  83-85
第6章化学转化膜作用下γ-TiAl 高温氧化机制分析  85-98
  6.1 钛铝合金的高温氧化过程  85-86
  6.2 钛铝合金氧化过程的热力学及动力学研究  86-90
  6.3 化学转化膜形成对钛铝合金氧化动力学影响的化学基础  90-92
  6.4 化学转化膜形成对提高钛铝合金抗高温氧化性趋势的本质分析  92-97
  6.5 本章小结  97-98
结论  98-99
参考文献  99-104
攻读学位期间发表的学术论文  104-106
致谢  106

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